淺談電磁流量計在給排水和水處理行業(yè)中在線檢定的應(yīng)用

    0 引言

    流量是給排水和水處理等相關(guān)行業(yè)常用的過程控制和計量的重要參數(shù)和生產(chǎn)指標(biāo)，它直接關(guān)系到水處理的進(jìn)程與質(zhì)量。電磁流量計由于其結(jié)構(gòu)簡單，傳感器內(nèi)沒有可動部件，沒有節(jié)流裝置，不存在機(jī)械轉(zhuǎn)動和磨損，不會產(chǎn)生壓力損失，并因其精度高、線性好、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在給排水、污水處理、引水工程等項(xiàng)目中得到**的應(yīng)用，用以進(jìn)行內(nèi)部計量、過程控制和對外貿(mào)易結(jié)算。電磁流量計作為一種普遍的計量器具，按照《計量法》的規(guī)定，必須在一定的周期內(nèi)對該器具進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)。同時，使用方為保證流量計使用的可靠性，也對電磁流量計廠家提出了這個要求。

    然而，應(yīng)用于水務(wù)行業(yè)中的電磁流量計口徑較大，安裝環(huán)境差等因素導(dǎo)致流量計很難甚至不允許拆卸之后送到標(biāo)定裝置中進(jìn)行復(fù)核。另外，由于此類流量計的現(xiàn)場工作條件與實(shí)驗(yàn)室校驗(yàn)設(shè)置條件存在偏異，因此，電磁流量計，尤其是大口徑的電磁流量在使用一個階段之后，測量也許會存在一定的不確定性偏差。在線大口徑流量計不停水的校準(zhǔn)和檢定問題亟待解決。

    1 電磁流量計的在線檢定方法

    目前，普遍應(yīng)用的電磁流量計在線檢定手段主要有標(biāo)準(zhǔn)表法和電參數(shù)法。電參數(shù)法是根據(jù)管道式電磁流量計的測量原理，對影響在線工作的管道式電磁流量計的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行檢定（如勵磁線圈對地絕緣電阻、電極對地（接液）電阻、勵磁線圈電阻和流量計電纜線電阻），測量控制相關(guān)參數(shù)在一定允許的變化范圍內(nèi)與出廠檢定的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較溯源，使其保持在出廠時的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確度以內(nèi)，以滿足使用要求。標(biāo)準(zhǔn)表法是以標(biāo)準(zhǔn)表為標(biāo)準(zhǔn)器具，使流體在相同時間間隔內(nèi)，同時連續(xù)通過標(biāo)準(zhǔn)表和被校表，比較兩者的輸出流量值的偏差，從而確定被校流量計與標(biāo)準(zhǔn)表所示的流量值的關(guān)系。

    對于以上兩種方法孰優(yōu)孰劣，不能斷然判明，但根據(jù)上海貝菲自動化儀表有限公司應(yīng)用以上兩種方法的在線檢定過程均能反映測量性能。

    2 電參數(shù)法

    眾所周知，電磁流量計是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律來測量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。法拉第電磁感應(yīng)公式如式（1）所示：

    E=K×B×V×D    （1）

    式中：B為流量計勵磁線圈感應(yīng)磁場的強(qiáng)度；V為被測電液導(dǎo)體的流速；D為管徑；K為儀表系數(shù)。宏觀上把導(dǎo)電液體看成導(dǎo)體。

    由式（1）可知管徑D與系數(shù)K都為固定參數(shù)。在一定流速下，只要保證參數(shù)B的穩(wěn)定，那么感應(yīng)電動E也隨之穩(wěn)定，即在進(jìn)行電參數(shù)法在線檢定時，若參數(shù)B保持在出廠校準(zhǔn)時的允許范圍內(nèi)時，就可證明該流量計目前所測流量的準(zhǔn)確度仍與出廠時保持一致［3］。

    影響電磁感應(yīng)強(qiáng)度B的因素，就流量計本身而言，應(yīng)檢驗(yàn)勵磁線圈電阻（扣除溫度變化引起的差值）、勵磁線圈的絕緣以及勵磁電流的幅值。另外，我們需檢查電極信號電路絕緣性能是否良好，證明原本微弱的流量信號有沒有額外大的損失；測量電極的接液電阻，評估電極表面是否被過度氧化、腐蝕、結(jié)垢或損傷而影響正常測量；檢查接地電阻等情況并排除雜亂信號的干擾。同時，使用高精度的模擬信號器檢測轉(zhuǎn)換器的工作狀況。

    上海貝菲自動化儀表有限公司于2009年8月與昆山市某自來水廠簽定供貨合同，其中大口徑表包括DN2000mm流量計3臺、DN1000mm流量計4臺。按標(biāo)書要求，出廠數(shù)據(jù)必須確保當(dāng)流速為0.3m/s時達(dá)到±0.25%示值誤差。在協(xié)助昆該自來水廠進(jìn)行調(diào)試，流量計正常運(yùn)行投入生產(chǎn)之后，于2010年8月份，根據(jù)《管道式電磁流量計在線校準(zhǔn)要求》［1］對每臺表的原始數(shù)據(jù)一一記錄，一年之后，我們再次來到現(xiàn)場進(jìn)行在線檢定。

    2.1 電參數(shù)法的檢定過程

    在檢定過程中，*先，觀察轉(zhuǎn)換器內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置是否有被改動過，要求轉(zhuǎn)換器的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置與電磁流量計出廠銘牌上的一致；然后觀察兩根電纜（勵磁電纜、信號電纜）是否有損傷，是否保持原樣。《管道式電磁流量計在線校準(zhǔn)要求》指出需保證被測液體電導(dǎo)率符合流速在0.3～10m/s的流動狀態(tài)下，被測管道中應(yīng)保持滿管，無氣泡聚集。

    在對該自來水廠進(jìn)行檢定觀察時，全部的流量計都在穩(wěn)定有序地運(yùn)行，無數(shù)據(jù)波動等狀況出現(xiàn)。因此，可以判定以上條件均符合，并在此基礎(chǔ)上對流量計的一系列參數(shù)作了檢測。

    由于在二次來到自來水廠時，該流量計處于運(yùn)行狀態(tài)，因此，為不妨礙水廠的正常工作，我們對每個數(shù)據(jù)點(diǎn)只進(jìn)行了兩次數(shù)據(jù)測量。

    2.1.1 轉(zhuǎn)換器的校準(zhǔn)

    ①瞬時流量的示值誤差及重復(fù)性檢定

    先關(guān)閉轉(zhuǎn)換器的供電電源，并將轉(zhuǎn)換器連接傳感器的電纜拆卸下來，使用自主開發(fā)的模擬信號發(fā)生器（精度為±0.1%），為轉(zhuǎn)換器提供模擬信號，代替實(shí)際使用過程中電磁流量計傳感器提供的流量信號。然后通電預(yù)熱片刻之后，分別選定高、中、低3個流速點(diǎn)，且采用上行程和下行程的方式對每個點(diǎn)都測試3遍，對轉(zhuǎn)換器的示值做出記錄，并將所記錄的值按照要求所記錄的公式進(jìn)行處理，后根據(jù)計算得到示值誤差和重復(fù)性［2－5］。

    ②轉(zhuǎn)換器零點(diǎn)檢查與校準(zhǔn)

    將電磁流量計模擬信號發(fā)生器的開關(guān)撥到“0”位置，用模擬信號發(fā)生器的零位進(jìn)行調(diào)零，直到轉(zhuǎn)換器瞬時流量顯示為“0.000m3/h”。

    ③電磁流量計零點(diǎn)漂移的檢查

    斷開轉(zhuǎn)換器與傳感器之間勵磁線圈的連接電纜（貝菲產(chǎn)品的勵磁線圈連接電纜編號為“7、8”電纜線），保持信號線“1、2、3”的聯(lián)通，經(jīng)過十幾分鐘左右的預(yù)熱（當(dāng)然，在這預(yù)熱過程中可對其他表進(jìn)行其他項(xiàng)目的檢查），恢復(fù)轉(zhuǎn)換器的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置，每5min記錄一次轉(zhuǎn)換器讀數(shù)情況，持續(xù)3次并記錄轉(zhuǎn)換器每次的顯示值。取**大的值與電磁流量計量程相比較，得到零點(diǎn)漂移值。

    ④轉(zhuǎn)換器輸出頻率及輸出電流校準(zhǔn)

    以電磁流量計模擬信號發(fā)生器為校準(zhǔn)信號源，采集3個流速測量點(diǎn)的頻率計電流輸出信號，按照公式計算兩者的示值誤差。相關(guān)公式請參閱文獻(xiàn)［1］。

    應(yīng)該注意的是，轉(zhuǎn)換器輸出頻率、電流的大允許示值誤差應(yīng)不超過出廠準(zhǔn)確度的要求。

    2.1.2 傳感器的校準(zhǔn)

    ①勵磁線圈電阻的測量

    以數(shù)字萬用表為測量工具，兩個表筆分別搭在勵磁線圈的兩個端子上，測量勵磁線圈的電阻值，將測量結(jié)果與以往的記錄值進(jìn)行比對。

    ②勵磁線圈對地絕緣電阻的測量

    以500V兆歐表為測量工具，將兆歐表的兩端分別夾在勵磁線圈一端和接地線上，操作兆歐表待顯示穩(wěn)定后讀數(shù)，要求絕緣電阻大于100MΩ。

    ③傳感器接地電阻的測量

    用數(shù)字式萬用表測量信號屏蔽線和接地線之間的電阻，要求對地電阻小于10Ω。

    ④電極對地（接液）電阻值的測量

    以指針式萬用表為測量工具（測量時會出現(xiàn)短暫的充放電現(xiàn)象），讀取指針偏轉(zhuǎn)大值時的值作為記錄值。電極的接地電阻值不能有較大的偏差率，否則視為不可控。

    應(yīng)注意的是，測量應(yīng)該以*先次測量的大值為準(zhǔn)，若要再次測量，應(yīng)消除電極上可能出現(xiàn)的極化現(xiàn)象，避免造成對測量準(zhǔn)確性的影響；同時，要求測量偏差率≤20%［4］。

    電磁流量計出廠時以及經(jīng)過一年的使用之后，再次對同一臺電磁流量計進(jìn)行在線檢定，數(shù)據(jù)記錄及處理結(jié)果如表1、表2所示。其中，原始在線檢定數(shù)據(jù)的環(huán)境溫度為29℃、相對濕度為70%RH，大示值誤差為0.25%；運(yùn)行一年后檢定數(shù)據(jù)的環(huán)境溫度為30℃、相對濕度為70%RH。經(jīng)第三方檢測的原始數(shù)據(jù)如表3所示。

表1 原始及運(yùn)行一年后的電參數(shù)數(shù)據(jù)

表2 運(yùn)行一年后的電參數(shù)數(shù)據(jù)（轉(zhuǎn)換器部分）

表3 2010年8月第三方檢定數(shù)據(jù)

    電磁流量計電參數(shù)在線檢定法主要用來對直接影響電磁流量計測量準(zhǔn)確度的勵磁線圈的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量。

    通過兩次數(shù)據(jù)的對比，可以很直觀地了解到這一臺電磁流量計的各項(xiàng)電參數(shù)在經(jīng)過一年的現(xiàn)場使用之后仍然能夠與原始數(shù)據(jù)很好地溯源。

    2.2 標(biāo)準(zhǔn)表法的檢定過程

    標(biāo)準(zhǔn)表法是在管道上再安裝一個標(biāo)準(zhǔn)表，同步記錄兩臺流量計的輸出流量。在標(biāo)準(zhǔn)表的選擇方面，目前國內(nèi)外大部分企業(yè)機(jī)構(gòu)都是選用便攜式超聲波流量計作為標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行在線檢定。

    以長春某熱力公司中一臺DN1200mm流量計為例，對運(yùn)用便攜式超聲波流量計進(jìn)行現(xiàn)場鑒定的過程做一簡單的陳述。

    該熱力公司于每年10月初開始對供暖設(shè)施進(jìn)行加壓試運(yùn)行，檢查設(shè)備是否正常可靠。目前，我們公司有上百臺大口徑的流量計在該企業(yè)的熱力供給線上運(yùn)行，在2010年10月份試運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)其中一臺DN1200mm的大口徑流量計出現(xiàn)數(shù)據(jù)波動，提議需對該表運(yùn)行的準(zhǔn)確度進(jìn)行檢測［6－7］。使用兩臺精度為±0.5%、重復(fù)性為±0.15%的便攜式超聲波流量計對該流量計進(jìn)行現(xiàn)場檢查。DN1200mm的大口徑流量計第三方檢定數(shù)據(jù)如表4所示。由表4可以看出，大示值誤差為0.18%，大重復(fù)性為0.06%。

表4 2009年11月第三方檢定數(shù)據(jù)

    操作人員到達(dá)現(xiàn)場后，*先對電磁流量計的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集記錄，發(fā)現(xiàn)流量計的顯示數(shù)據(jù)確實(shí)存在波動。隨后，根據(jù)現(xiàn)場情況及超聲波流量計的安裝要求，對管道外壁的污垢進(jìn)行擦除，以保證超聲波流量計的可靠應(yīng)用，并根據(jù)現(xiàn)場工作人員對管道內(nèi)壁的襯里描述，采用“V”形安裝方法對參數(shù)進(jìn)行一一設(shè)置［8－10］。

    值得說明的是，由于超聲波流量計對使用環(huán)境和安裝的要求較高，且在較寬的流速范圍之下，較難保證超聲波流量計在全流速范圍內(nèi)一直保持一個較高的精度。為此，分別選用高、低流速的兩臺超聲波流量計，分別對管道內(nèi)流體的高低流速進(jìn)行測量，這在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

    經(jīng)分段檢定，超聲波流量計數(shù)據(jù)記錄如表5所示。對比發(fā)現(xiàn)，超聲波流量計數(shù)據(jù)顯示及波動情況與電磁流量計所反映的情況一致。

    在線檢定后，發(fā)現(xiàn)流量計顯示的波動幅度越來越小。對此，我們判斷是因?yàn)楣艿涝谀陜?nèi)*次通水及水溫差異等原因，使得管道內(nèi)存在大量氣泡，造成數(shù)據(jù)波動。經(jīng)建議，長春熱電在電磁流量計的前直管段上安裝了排氣閥，電磁流量計隨即正常工作。

表5 現(xiàn)場數(shù)據(jù)記錄表

    3 檢定注意事項(xiàng)

    在檢定超聲波流量計時，應(yīng)注意以下事項(xiàng)。

    ①安裝位置

    超聲波流量計安裝位置的選擇需要操作員仔細(xì)了解工況情況，包括被檢管線的材質(zhì)、管外徑、管壁厚度、管內(nèi)襯里的材質(zhì)及厚度，管內(nèi)介質(zhì)等相關(guān)量的具體信息并核實(shí)，確保測量的準(zhǔn)確度。

    標(biāo)準(zhǔn)表的安裝需遠(yuǎn)離上下游的擾動源，避免有害的漩渦等情況，但是在現(xiàn)場實(shí)際情況中達(dá)不到安裝要求的情況是很普遍的。這就需要現(xiàn)場操作人員有相當(dāng)高的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，選擇正確的地點(diǎn)和方式進(jìn)行安裝，避免較大誤差的出現(xiàn)。

    ②“V”形安裝法

    在直管段等情況允許的情況下，應(yīng)該**“V”形法安裝。因?yàn)槭褂?ldquo;V”形安裝法，超聲波流量計的兩個換能器在管道的同一側(cè)，容易實(shí)現(xiàn)兩個換能器安裝在管道的中心線上；而且同一側(cè)的管壁，外部條件幾乎一致，對因參數(shù)設(shè)置引起的誤差可以將量減小到低。

    “V”形安裝法示意圖如圖1（a）所示。而使用“Z”形安裝法雖然聲程縮短近一半，但兩側(cè)相對的安裝方法使得換能器不易在同一個管徑平面上，導(dǎo)致超聲波接收到的信號質(zhì)量下降，這會無法避免地帶來相當(dāng)大的測量誤差。“Z”形安裝法示意圖如圖1（b）所示。

    ③同時，我們認(rèn)為用于標(biāo)準(zhǔn)表法比對的便攜式超聲波流量計對重復(fù)性要求是*先位的。

圖1 便攜式超聲波流量計安裝示意圖

    4 結(jié)束語

    流量計在線檢定方法是切實(shí)可行的，雖然在線檢定方法與實(shí)驗(yàn)室水流量標(biāo)定裝置上校準(zhǔn)存在一定程度上的差異，但是也在一定程度上緩解及解決了一些大口徑流量計不能拆卸進(jìn)行標(biāo)定的難題。為了進(jìn)一步優(yōu)化管道式電磁流量計在線檢定方法，我們需要不斷總結(jié)在線檢定的經(jīng)驗(yàn)或者開發(fā)在線檢定的專用儀器，這樣，電磁流量計的在線檢定方法會愈加的完善。